凸輪軸蓋壓鑄模鑄造過程數(shù)值模擬

凸輪軸蓋壓鑄模鑄造過程數(shù)值模擬

作為軸承的安裝載體，軸承蓋與氣鼓蓋相連，用于密封氣堂蓋、氣室和軸承。這是發(fā)動機的主要部件。與其他汽車零件相比,凸輪軸蓋易變形,表面品質(zhì)和尺寸精度要求高計算機模擬已在壓鑄領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,通過充型、凝固等過程仿真可有效預(yù)測鑄造缺陷,優(yōu)化模具設(shè)計1物理模型和數(shù)值模型的建立1.1澆注系統(tǒng)方案設(shè)計鋁合金凸輪軸蓋零件為矩形框架結(jié)構(gòu),其三維模型見圖1。輪廓尺寸為361mm×160mm×44mm,體積約為4.34×10鑒于凸輪軸蓋鑄件為長方形框架結(jié)構(gòu),澆注系統(tǒng)采用側(cè)澆方式。為縮短金屬液的流動距離,澆口設(shè)在框架長邊一側(cè);又由于該框架形鑄件內(nèi)部有6處橫梁結(jié)構(gòu),宜采用分叉式橫澆道。內(nèi)澆口截面積計算如下:式中,根據(jù)經(jīng)驗公式和模具設(shè)計理論進行模具設(shè)計,其中主要參數(shù)見表1。根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)特征和澆注系統(tǒng)設(shè)計理論,設(shè)計了3種澆注系統(tǒng)方案,見圖2。方案1有6個內(nèi)澆口,分布在鑄件長邊上5處帶U形凹槽的橫梁位置及端部。為了防止鑄件短邊上靠近澆口的半圓臺處產(chǎn)生卷氣和縮孔,方案2添加了溢流槽,見圖2b。而考慮到鑄件端部兩橫澆道在液流交匯處容易產(chǎn)生卷氣,方案3將左側(cè)兩個內(nèi)澆口合并為一個,且保留了方案2中所添加的溢流槽,見圖2c。1.2和動能守恒定律式鑄件充型的數(shù)值模型將金屬液看作不可壓縮流體,其流動過程遵守質(zhì)量和動量守恒定律式中,?為通用向量;熱傳導(dǎo)采用傅里葉定律(Fourier)導(dǎo)熱微分方程來描述計算對流傳熱用Newton冷卻定律描述:=輻射傳熱遵循Stefen-Boltzman定律:=式中,1.3網(wǎng)格尺寸劃分采用Visual-Mesh模塊劃分四面體網(wǎng)格,將內(nèi)澆口、溢流槽等薄壁位置網(wǎng)格尺寸劃為0.5mm,鑄件網(wǎng)格尺寸為2.5mm,其他厚壁部位相應(yīng)增大尺寸以減小網(wǎng)格的數(shù)量,鑄件及虛擬模具的網(wǎng)格數(shù)量為196萬個。凸輪軸蓋壓鑄模擬計算初始條件及邊界條件見表2。2數(shù)值模擬結(jié)果與討論2.1標(biāo)記位置的影響3種澆注系統(tǒng)設(shè)計方案的充型過程仿真結(jié)果見圖3。圖3a為方案1的充填過程,可以看出,金屬液沿著直澆道進入型腔,整體上滿足順序填充,但由于凸輪軸蓋的框架結(jié)構(gòu),使得金屬液多次分流和匯合,增大卷氣傾向。充型率為50%時,金屬液在圓圈標(biāo)記位置形成匯合,被壓縮氣體無法通過鑄件橫梁形成的型腔排出,容易在此處造成卷氣和熔接痕。方案2的充填過程見圖3b。與方案1相比,金屬液流態(tài)相似,在填充率為50%時,金屬液在圓圈標(biāo)記位置也形成了液流匯合,但匯合流處于型腔通道,產(chǎn)生氣孔和熔接痕的可能性較低。同時由于方案2在鑄件圓臺一側(cè)開設(shè)了溢流槽,可減小卷氣和縮孔缺陷。方案3與前兩種方案相比,圓圈標(biāo)記區(qū)域的液流匯合位置靠近溢流槽一側(cè),也處于型腔通道位置,見圖3c。方案3避免了兩股金屬液在鑄件內(nèi)部交匯和相互沖擊,從而減少了渦流、裹氣以及氧化夾渣發(fā)生的可能,其澆注充型過程更合理。從充型率70%和95%時的充型狀態(tài)來看,3種澆注系統(tǒng)設(shè)計方案充型情況均相似,型腔充滿后,冷、污金屬液和多余的金屬液及型腔中的空氣可順利進入溢流槽排出。2.2凝固方案比選3種澆注系統(tǒng)方案完全凝固用時分別為51.6、53.8和51.7s,其凝固過程基本一致,見圖4。總的來說,鑄件薄壁和遠離澆道的一側(cè)區(qū)域先凝固,厚壁和近澆道區(qū)域后凝固。3種方案中鑄件周邊溢流槽都晚于鑄件凝固,最后是橫澆道和余料凝固,澆注系統(tǒng)能起到有效補縮作用。壁厚不均勻的鑄件厚大區(qū)域會形成熱節(jié),容易產(chǎn)生縮孔、縮松2.3方案模擬分析在相同澆注及溢流、排氣條件下,方案1、方案2與方案3模擬結(jié)果相比,鑄件區(qū)域的縮孔、縮松缺陷更嚴重,見圖5。3種方案條件下,鑄件的孔隙體積分別為5.45、5.99和9.23mm3改進方案模擬結(jié)果通過對充型凝固過程及縮孔、縮松的分析比較,認為方案3的效果最好。但根據(jù)圖3c充型50%時的充型仿真結(jié)果,金屬液匯流處于型腔通道上,充填和排氣條件較好;同時縮孔、縮松仿真結(jié)果顯示,3種方案中鑄件改進方案的充型和凝固過程見圖6。改進方案的充型過程見圖6a。模擬結(jié)果顯示,充型過程整體上比較平穩(wěn),各區(qū)域的金屬液基本上是齊頭并進,差距較小,與圖3c中的方案3相比,在填充率為50%時充填狀態(tài)基本一致。改進方案的凝固過程與方案3相似,見圖6b。從凝固時間來看,改進方案因減少了臨近內(nèi)澆道的一處熱節(jié),其完全凝固用時為46.7s,與方案3用時51.7s相比,縮短了凝固時間,從而提高了生產(chǎn)效率。改進方案的縮孔、縮松仿真結(jié)果和試模鑄件見圖7。圖7a與方案3(見圖5c)中的結(jié)果相比,鑄件厚大區(qū)域的3處縮孔有1處被直接消除,另外兩處縮孔體積減小,鑄件縮孔體積為1.43×10從圖7b可以看出,試模鑄件表面光滑,無流痕、熔接痕和裂紋等表面缺陷。采用X光對試模制得鑄件關(guān)鍵部位探傷(見圖7b中圈選位置),結(jié)果見圖8?？梢钥闯?鑄件4澆注系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(1)框型凸輪軸蓋鑄件減少橫澆道數(shù)量可改善金屬液的流動形態(tài),減少因卷氣而產(chǎn)生內(nèi)部孔隙。(2)澆注系統(tǒng)優(yōu)化方案通